Ce document explore le développement d'une mémoire quantique pour la lumière non-classique en utilisant des atomes froids, décrivant des stratégies pour le stockage d'états quantiques et la rélecture à la demande. Il discute également des applications potentielles, telles que la génération de photons intriqués et la synchronisation de l'émission de photons, ainsi que des défis liés à la communication quantique à longue distance. Enfin, le texte présente des innovations techniques, comme la génération de vide comprimé et la mesure de la densité optique, nécessaires pour améliorer l'efficacité des mémoires quantiques.

1. Vers une mémoire quantique pour la lumière non-classique avec des atomes froidsSidney Burks13 Octobre, 2010Directrice de thèse: Elisabeth GiacobinoCodirecteur de thèse: Julien LauratEquipe Optique QuantiqueLaboratoire Kastler-BrosselUniversité Pierre et Marie Curie, Paris1

2. Plan: Vers une mémoire quantiquePerspectivesMémoire quantique2

3. Des bits classiques aux bits quantiquesL’information classique est fondée sur le bitValeurs discrètes de 1 ou 0Bits photoniquesL’information quantique introduit le qubitSuperposition d’états3

4. Une mémoire quantiqueDesideratum : Stockage sans mesure, relecture à la demande i.e. un transfert cohérent et réversible entre la lumière et la matière. Stratégie générale: Transférer la superposition quantique de la lumière à une superposition des états dans le milieu de stockageQubit photonique4

5. Une mémoire quantiqueDesideratum : Stockage sans mesure, relecture à la demande i.e. un transfert cohérent et réversible entre la lumière et la matière. Stratégie générale: Transférer la superposition quantique de la lumière à une superposition des états dans le milieu de stockageLes états |a> et |b> sont typiquement des états fondamentaux pour éviter une décohérence rapideRecette générale: Deux états fondamentaux connecté via un état excité par un champ de contrôleQubit photonique5

6. Un revue des mémoires quantiquesAtome UniqueElectrodynamique quantique en cavité (couplage forte)EIT « Dynamique »expériences LKBEnsemble atomiques : Collective Exc.Rephasingprotocols- CRIB and AFC - Ions de terre rare dans des solides à température cryogéniqueTemps de vie long6

7. Applications des mémoires quantiquesLa plupart des sources de photons sont probabilistes

8. On sait créer des photons jumeaux7

9. Applications des mémoires quantiquesLa plupart des sources de photons sont probabilistes

10. On sait créer des photons jumeaux

11. Mémoire chargée avec un photon8

12. Applications des mémoires quantiques« Photon Gun » déterministe9

13. Synchronisation de l’émission des photonsInterférence de deux photons10

14. Synchronisation de l’émission des photonsInterférence de deux photonsPortes quantiques11

15. Réseaux quantiquesDistribution d’intrication dans un réseauPropagation de l’intrication dans les systèmes quantiques complexesSimulation de phénomènes collectifsH.J. Kimble, The Quantum Internet, Nature 453, 1023 (2008)12

16. 13Communications quantiques à longue distanceEtats quantiques sont fragilesImpossibilité de cloner des états arbitrairePas de amplification

17. Communications quantiques à longue distance100 km, fibre télécom: 99.5 % pertesPour 1000 km, et avec une source des qubits à 10GHz, il faudrait 300000 ans pour transmettre 1 qubitTemps de connexion décroit exponentiellement avec la distance14

18. Communications quantiques à longue distance100 km, fibre télécom: 99.5 % pertesPour 1000 km, et avec une source des qubits à 10GHz, il faudrait 300000 ans pour transmettre 1 qubitTemps de connexion décroit exponentiellement avec la distanceRépéteurs quantiques15

19. Diviser en segments et générer l’intrication......L0L0L0L......2) Connexion de l’intrication....Répéteurs quantiquesFidélité proche à 1 à longue distance, mais… temps augmente de façon exponentielle avec LL’intrication des segments est probabiliste: chaque étape termine à un instant différent.16

20. Diviser en segments et générer l’intrication......L0L0L0L......2) Connexion de l’intrication....Répéteurs quantiquesFidélité proche à 1 à longue distance, mais… temps augmente de façon exponentielle avec LL’intrication des nœuds est probabiliste: chaque étape termine à un instant différent.« Scalability » : nécessite des mémoires quantiques, ce qui permet une préparation asynchrone du réseauMémoires quantiques17

21. Comment intriquer deux mémoires?18

22. Intrication Probabiliste: Protocole DLCZ19Création d’une excitation collectiveIntrication des deux ensemblesExcitation collectiveL.M. Duan et al., Nature 414, 413 (2001)|e>field 1write|s>|g>Démonstration expérimentale du premier segment de répéteur quantique en 2007

23. 20RelectureStockageEcriturereemission du champ quantiqueChampquantiqueChamp contrôleIntrication déterministe: photon unique et transparence induite électro-magnétiquement (EIT)Mapping d’un photon unique délocaliséK.S. Choi et al., “Mapping photonic entanglement into and out of a quantum memory”, Nature 452, 7183 (2008)

24. Intrication en Variables ContinuesSource déterministe de l’intricationUtilise des porteurs avec des dégrées de libertés continus - quadratures de la lumièreCaractérisé par la détection homodyne21Etat cohérentEtat comprimé

25. Résultats actuels par EIT en variables continuesRetard d’un état compriméStockage d’une bande latérale uniqueStockage sans excès de bruitEtat cohérentStockage de vide comprimé−0.16 ± 0.01 dB ~4% −0.21 ± 0.04 dBG. Hétet et al., Phys. Rev. A 74, 033809 (2005)E. Figueroa et al., New J. Phys. 11, 013044 (2009) LKBJ. Cviklinski et al., Phys. Rev. Lett. 101, 133601 (2008)K. Honda et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093601 (2008)J. Appel et al., Phys. Rev. Lett. 100, 093602 (2008) 22

26. Notre système de stockage d’intrication en variables continues23

27. Création de deux ensembles24

28. Plan: Vers une mémoire quantiqueMémoire QuantiqueSourceVide compriméCaractérisationInterfaçageMémoire25

29. Plan: Vers une mémoire quantiqueMémoire QuantiqueSourceVide compriméCaractérisationInterfaçageMémoire26

30. Génération du vide comprimé avec un OPOSource de vide compriméCompatible avec une mémoire quantique utilisant des atomes de CésiumOscillateur paramétrique optique (OPO)27

31. Utilisation de l’optique non-linéaireGénération de seconde harmoniqueConversion paramétriqueEtat cohérentVide comprimé28

32. Schéma expérimental29

33. Schéma expérimental30

34. Génération de Seconde HarmoniqueCavité en anneauAsservissement par Tilt LockingRégulation de température31

35. Cavité de DoublagePuissance de la seconde harmonique32

36. Cavité de DoublagePuissance de la seconde harmonique330 mW330 mW de bleu50% efficacité de conversion33

37. Schéma expérimental34

38. Cavité de l’OPOLinéaireQuadratique35Equilibre entre fort squeezing et stabilité expérimentale

39. Cavité de l’OPOCoupleur de sortie de T = 7%Fonctionnement en dessous du seuilAsservissement par Pound-Drever-HallFaisceau d’asservissement contra-propageant36

40. Faisceau d’asservissementPhotons parasites dans le vide compriméDiminution de la puissance de faisceau d’asservissementTraitement antirefletSwitch actif37

41. Plan: Vers une mémoire quantiqueMémoire QuantiqueSourceVide compriméCaractérisationInterfaçageMémoire38

42. Schéma expérimental39

43. Génération du vide compriméS. Burks et al., “Squeezed light at the D2 cesium line for atomic memories”, Opt. Express 17, 3777 (2008)40Fréquence d’analyse: 1MHz

44. Génération du vide compriméS. Burks et al., “Squeezed light at the D2 cesium line for atomic memories”, Opt. Express 17, 3777 (2008)41Fréquence d’analyse: 1MHz3 dB de squeezing (50% réduction du bruit quantique)

45. Génération du vide comprimé42Comptabilité avec la mémoire?

46. Génération du vide compriméSera utilisé pour EIT en Césium43Comptabilité avec la mémoire?AbsorptionDispersion

47. Génération du vide compriméSera utilisé pour EIT en CésiumFréquence fixée par la région linéaire de la dispersion44AbsorptionDispersion500 kHz

48. Génération du vide compriméSqueezing à partir de 30 kHzCompatibilité avec EIT qui est limitée en bande passante!45

49. Reconstruction de l’état46

50. Reconstruction de l’étatDes paires de photons pour le vide compriméEtat thermique mélangé avec le videCaractérisation complète de notre état47Fonction de Wigner pour -2 dB de squeezing

51. Plan: Vers une mémoire quantiqueMémoire QuantiqueSourceVide compriméCaractérisationInterfaçageMémoire48

52. Création des impulsionsMode temporel adapté à la mémoireConversion d’une source continue en impulsionsTrès difficile dû à la fragilité des états quantiques49

53. Impulsions par chopper optique50Suppression du bruit acoustiqueSuppression des vibrations mécaniquestemps

54. Impulsions par chopper optiqueLargeur 1 µstempsPertes optiques ~2%Impulsions de 500 ns!51

55. Impulsions par AOMPertes optiques faibles: ~10%

56. Control précis sur le timing: 25 ns52

57. Plan: Vers une mémoire quantiqueMémoire QuantiqueSourceMémoire53

58. Création de deux ensembles54

59. Eléments nécessairesAtomesNuage « gros » et denseEITLasers et transitionsAnnulation du champ magnétiqueEviter la décohérence des niveaux fondamentauxTiming et Synchronisation55

60. 56

61. Chambre57

62. ChambreMOT58

63. ChambreMOTLasers59

64. ChambreMOTLasersMultiplexage60

65. ChambreMOTLasersMultiplexage61Comment caractériser le nuage?

66. Mesure de densité optique62-10 MHz

67. Mesure de Densité Optique-10 MHzDensité optique de 20Efficacité de mémoire de 25%63Gorshkovet al., Phys. Rev. A 76, 033805 (2007)

68. Eléments nécessairesAtomesNuage « gros » et denseEITLasers et transitionsAnnulation du champ magnétiqueEviter la décohérence des niveaux fondamentauxTiming et Synchronisation64

69. Asservissement de phase optiqueBattement optique65

70. 66

71. Asservissement de phase67Stabilité de plusieurs heures

72. sub-Hz précision sur la fréquenceEléments nécessairesAtomesNuage « gros » et denseEITLasers et transitionsAnnulation du champ magnétiqueEviter la décohérence des niveaux fondamentauxTiming et Synchronisation68

73. Coupure du chambre magnétiqueChamp des bobines du MOTChamps résiduels69

74. Coupure du champ magnétique~5 ms de nuage après coupure du champChamps sont difficile de couper rapidement70

75. Coupure du champ magnétique~5 ms de nuage après coupure du champChamps sont difficile de couper rapidement71Constante de temps 300 µsLe nuage reste dense!

76. Spectroscopie Raman Champ présentPrésence des champs parasitesCorrection au mG en 3 dimensions72

77. Spectroscopie Raman Champ présentCorrection au milliGauss en 3 dimensions73Temps de mémoire: 10-100 µs

78. Eléments nécessairesAtomesNuage « gros » et denseEITLasers et transitionsAnnulation du champ magnétiqueMinimiser la décohérenceTiming et Synchronisation74

79. Timing des faisceaux mémoire 75

80. Timing des faisceaux mémoire Interface SimpleDéveloppent rapideExtensible76